热电偶测温系统的设计

基于单片机的热电偶测温系统的设计

The Design of Thermocouple Temperature Measurement System Based on SCM （西安外事学院）荆海霞 周琳勃 王仁道 廖娜

JING Hai-xia ZHOU Lin-bo WANG Ren-dao LIAO Na

摘要：在现代化的工业现场，常用热电偶测试高温，测试结果送至主控机。由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系，所以必须对热电偶进行线性化处理以保持测试精度。该系统通过高精度模/数转换器AD7705对热电偶电动势进行采样、放大，并在单片机内采用一定算法实现对热电偶的线性化处理，再通过数/模转换器AD421进行数/模转换产生4mA～20mA电流，送主控中心。

关键词：热电偶；线性化；AD转换；DA转换；单片机 中图分类号：TP273 文献标识码：A

Abstract：Thermocouple is used frequently in high-temperature test in the modernized industry scene，then the test results are delivered to master control machine. As the non-linear relationship between thermoelectric potential and temperature, it must be carried out on the thermocouple linear processing in order to maintain accuracy of test. This article is for the linearization of thermocouple. The general idea is to study high-precision A/D converter AD7705, which samples and enlarges the thermoelectric potential from the thermocouple, to use a certain algorithm for the linearization processing in the microcontroller, and to convert the data to produce the 4 mA-20mA current through high precision A/D converter AD421.

Key words：Thermocouple;Linearization;AD conversion;DA conversion;

Single-chip-micro-computer

1 引言

热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器之一，它具有构造简单、使用方便、准确度、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽等优点，适用于信号的远传、自动纪录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。但由于热电偶的热电势与温度呈非线性关系，增加了显示与处理的复杂性；且随着工业发展、自动化的不断加强，对温度精度要求越来越高。为了提高热电偶测量温度的精度，必须从硬件和软件两方面同时入手：硬件设计必须使用高精度A/D和D/A器件，软件设计必须设计出合理的满足工业要求的线性化算法，从这两方面解决热电偶测试高温的精度问题。

本文提出的系统以单片机为核心，硬件设计使用高精度模/数转换器AD7705和高精度数/模转换器AD421，分别实现对热电偶电动势的采样、放大、AD转换和对线性化处理的数据转换，软件设计提出一种“最佳非等距离分段算法”，并在程序中采用修正后的数据，实现热电偶的线性化处理。试验结果表明，该系统能很好的解决热电偶测试高温的精度问题，使仪器仪表精度达到1/1000，满足工业设计要求。

2 硬件电路设计

本设计是基于STCC52单片机的硬件设计。系统总原理框图如图1所示。

图1 系统框图

控制电路以单片机为中心，控制其他部分完成各自的功能。其中模/数转换部分采用16

Sensors传感器AD7705A/D转换器STCC52单片机AD421D/A转换器去4mA-20mA测量电路

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位高精度AD转化器AD7705，采用自校准，提高其抗干扰能力和精度；数/模转换部分采用高精度DA转换器AD421，在电路设计上，采用光隔离，控制AD421完成其功能，AD421为16位高精度数/模转换器，它将来自单片机线性化处理后的数据进行DA转化，产生4mA-20mA电流，送控制中心。

2.1 模/数转换电路

模/数转换电路部分，采用16位、双通道、低成本、高精度模/数转换功能的AD7705。AD7705是AD公司推出的16位∑－∆（电荷平衡式）A/D转换器，包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑－∆调制器及可编程数字滤波器等，能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换。此外他还具有高分辨率、宽动态范围、自校准，低功耗及优良的抗噪声性能，因此非常适用于仪表测量和工业控制等领域。使用时通过单片机控制其单双极性、增益倍数、选择通道的输入和工作模式的选择等；用AD584基准芯片为AD7705采集模块提供基准电压，使AD7705可以正常且稳定的工作。模/数转换部分电路如图2所示。

图2 AD转化电路

2.2 数模转换电路

数/模转换部分采用16位高精度数/模转换器AD421。AD421是美国AD公司推出的一种单片高性能数模转换器(DAC)，它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4-20mA电流输出，可实现低成本的远程智能工业控制。AD421内部含有电压调整器可提供+5V，+3.3V或+3V输出电压，还含有+1.25V，+2.5V基准电源，均可为其自身或其它电路选用。AD421采用Σ-ΔDAC结构，保证16位的分辩率和单调性，其积分线性误差为±0.001%，失调误差为±0.1%，增益误差为±0.2%，其标准的三线串行接口可在10Mbps下运行，便于与通用微处理器或微控制器相连。由于篇幅有限，这里只给出了DA转换电路的主要组成部分，其中起隔离作用的光耦合电路略去。电路如图3所示。

3 软件设计

软件是整个系统的灵魂，它是算法和功能实现的关键。该部分主要完成的任务是：（1）A/D转换器的配置、启动和数据读取。（2）对信号的线性化处理。（3）D/A转换器的配置和数据读取。其中线性化算法主要参考“最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用”

[4]

P1.52.4576MHzP1.433pF33pFP1.3输入CS5RESET6AIN2(+)7AIN1(+)8AIN1(-)1SCLK2MCLK IN3MCLK OUT41615VDD14DINDOUT13DRDY12AIN2(-)11REF IN(-)10REF IN(+)9GND5VP1.0P1.1P1.2，提出一种“最佳非等距离分段算法”，根据标度转换，在不同的分段上推导出y=kx+b

的线性化算法。该算法运算量小，程序中不进行查表，提高了程序的运行速度，使热电偶线性化处理速度得以提高。根据以上任务得主程序流程图如图4所示。

AD770510µF0.1µF10µF123410V5V2.5V+VCAPVBG80.1µF7655V

COMMONSTROBEAD584http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

P2.0P2.1P2.2

DN2540N8

10µF4.7µF3420.1µF100ΚΩ31256712REF IN4/20mA116VCCFZT6514.7µFREF OUT1REF OUT2LATCHCLOCKDATAC1LOOP RTNCOMLVDRIVECOMPBOOST13141ΚΩ1000pF100pFAD421150.01µF0.1µF51ΚΩ0.01µF11C210C380.1µF0.0033µF90.01µF410µF24V

图3 DA转化电路

图4 主程序流程图

是否满足条件n否报警是否满足条件2否否是送入相应数据处理算法n是否满足条件1否是送入相应数据处理算法2是送入相应数据处理算法1A/D转换送入数据A/D自校准初始化开始D/A转换结束http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

4 试验及结果分析

整体设计和调试，以K分度热电偶为例。

通过调节滑动变阻器，模拟补偿后的K分度热电偶的热电势，送入AD7705完成模/数转换,转换后的数据送入单片机进行线性化处理，使处理后单片机输出的数据与温度呈现线性关系；最后再将线性化后的数据，送至AD421经数/模转换，输出电流值。

试验结果数据如下表所示：

热电势（mV） 理论电流值（mA）实际测量电流值(mA)

12.207 24.901 37.325 48.828

5 结束语

本文以STCC52单片机为核心，进行对系统控制和线性化算法的运算，充分利用AD7705内带校准系统，使A/D转换精度更好，同时采用AD421完成D/A转换；在算法处理上，提出一种“最佳非等距离分段算法”，使得线性化算法具有运算量小、处理速度快、占用内存小等优点。测试结果表明，该系统已满足工业标准1‰的要求。

本文作者创新点：为了保证成本，仍沿用了传统的以单片机为核心的热电偶测温系统的处理方法，但由于采用了良好的线性化算法，编程又采用可节约内存的汇编语言，使得测量速度快，测量结果能满足工业标准的要求。

参考文献

[1]李广第，朱月秀，冷祖祁.单片机基础(第3版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.6

[2]孙红均,张涛,王超.智能仪器仪表[M].北京:清华大学出版社,2007 [3]陈正,喻红.热电偶测温的线性化处理模块[J].计量技术,1999,12:23-25

[4]严仍友,汪仁煌.最佳非等距线性插值算法在热敏电阻测温中的应用[J].自动化仪表，2005,6:35-37

[5]吕小红，周凤星，马亮．基于单片机的电阻炉温度控制系统设计［J］．微计算机信息，2008,6-2：119-120

，女，山西万荣人，西安外事学院信息工程学院专职教师，讲作者简介：荆海霞（1976-）

师，2003年毕业于西北工业大学电子工程系系统工程专业，硕士。主要从事电子线路、信号与系统、数据融合方面的教学与科研工作。

Biography: JING Hai-xia(1976-), female, born in Wanrong of Shanxi Province, received the Master’s degree in NorthWestern Polytechnical University, lecture of Xi’an International University, engaged in the teaching and scientific reseach of electronic circuits, signals and systems and data fusion

（710077 西安外事学院 信息工程学院）荆海霞 周琳勃 王仁道 廖娜

（College of Information Engineering，Xi’an International University，Xi’an Shanxi，

710077，China）JING Hai-xia ZHOU Lin-bo WANG Ren-dao LIAO Na

8 mA 12mA 16mA 20mA

7.993 mA 11.995mA 16.008mA 19.993mA

误差 0.04375% 0.03125% 0.05% 0.04375%

可见，该误差已在1‰内，满足了工业生产的要求。